En første-af-sin-art eksploderende stjerne – menes at have eksisteret kun i teorien – blev for nylig opdaget

I en ikke så fjern fortid blev opdagelsen af en supernova – en eksploderende stjerne – betragtet som en sjælden begivenhed. Når Prof. Avishay Gal-Yam af Weizmann Institute’s Partikelfysik og Astrofysik Department var en ph.d.-studerende, for eksempel, han placeret syv af dem i løbet af fire år. I dag gør avancerede måleinstrumenter og analysemetoder det muligt at opdage halvtreds sådanne eksplosioner dagligt. På den ene side kan de forbedrede midler, der anvendes af nutidens astrofysikere til at få øje på supernovaer, have gjort disse himmelske begivenheder mindre af en attraktion gennem årene. På den anden side har det større antal observationer af dem også øget sandsynligheden for, at forskere ville være i stand til at spotte sjældnere typer af eksplosioner, der hidtil kun har eksisteret som teoretiske konstruktioner. Gal-Yam og kolleger opdagede for nylig en sjælden supernova, der aldrig er blevet observeret før. Deres resultater offentliggøres i dag Nature.

Infografik: Itai Raveh

Kernen i hver stjerne er næret af nuklear fusion, hvori kernerne af lettere elementer smelter sammen for at danne tungere elementer. Sammensmeltningen af fire hydrogenkerner resulterer i dannelsen af et heliumatom, mens flere heliumkerner tilsammen resulterer i dannelsen af kulstof, ilt og så videre. Det sidste element, der naturligt vil danne gennem nuklear fusion er jern, som er den mest stabile atomkerne. Under normale omstændigheder opretholder den energi, der produceres i stjernens kerne, ekstremt høje temperaturer, der får dens gasformige stof til at udvide sig, hvilket bevarer den fine balance med tyngdekraften og trækker stjernens masse mod centrum. Når stjernen løber tør for elementer til at smelte og holder op med at producere energi, forstyrres denne balance, hvilket fører enten til et gabende sort hul, der tårer åbner sig i hjertet af stjernen, hvilket får den til at kollapse i sig selv eller til stjernens eksplosion, som frigiver de tunge elementer, smeltet under dens udvikling, ind i En Wolf-Rayet stjerne og tågen omkring det fanget af Hubble Space Telescope. Gal-Yam og kolleger er de første til at opdage en sjælden type supernova, der stammer fra denne stjerne // NASA / ESA Hubble Space Telescope

Hele processen er naturligvis meget langvarig. Levetiden for massive stjerner – den slags, gal-Yam, dekan for Weizmann Institute of Science’s Fysik Fakultet, undersøgelser – betragtes som relativt kort, et par millioner år på de fleste. The Sun, til sammenligning, har en forventet levetid på omkring 10 milliarder år. De efterfølgende processer af nuklear fusion i kernen af massive stjerner fører til deres stratificering, hvor de tunge elementer er koncentreret i kernen, og gradvist lettere elementer komponerer de ydre lag. Wolf-Rayet stjerner er særligt massive stjerner, der mangler en eller flere af de eksterne lag, der består af lysere elementer. På denne måde, i stedet for brint – det letteste element – stjernens overflade er kendetegnet ved tilstedeværelsen af helium, eller endda kulstof og tungere elementer. En mulig forklaring på dette fænomen er, at stærke vinde blæser på grund af højt tryk på stjernens kuvert, sprede sin yderste lag, hvilket får stjernen til at miste det ene lag efter den anden over flere hundrede tusinde år. Når disse stjerner observeres uden tilstedeværelsen af de lettere elementer i deres konvolut, er det beslægtet med et stillbillede, der fanger et øjeblik i tide under en langvarig proces. Ikke desto mindre, på trods af deres relativt korte levetid og deres tilstand af progressiv opløsning, supernova eksplosion af en Wolf-Rayet stjerne er endnu ikke blevet endeligt observeret.

“En ting er sikkert,” siger Gal-Yam, “Dette er ikke den ‘tavse’ sammenbrud ofte nævnt i fortiden”

Analyse af det stadigt stigende antal supernovafund har ført til hypotesen om, at Wolf-Rayet-stjerner simpelthen ikke eksploderer – de kollapser bare stille i sorte huller – ellers ville vi have været i stand til at observere en nu. Denne hypotese er imidlertid netop blevet knust på grund af opdagelsen, som Weizmann-gruppen og deres internationale team af samarbejdspartnere har gjort, af en supernova, der stammer fra denne type stjerne. Spektroskopisk analyse af det lys, der udsendes fra eksplosionen – de elektromagnetiske bølgelængder af lys, der udsendes fra eksplosionen – førte til opdagelsen af spektrale signaturer, der er forbundet med specifikke elementer. På denne måde var forskerne i stand til at vise, at eksplosionen indeholdt kulstof, ilt og neonatomer, sidstnævnte et element, der endnu ikke er blevet observeret på denne måde i nogen supernova til dato. Desuden identificerede forskerne, at det stof, der sprøjtede kosmisk stråling, ikke i sig selv deltog i eksplosionen, men snarere stammede fra rummet omkring den flygtige stjerne. Dette styrkede igen deres hypotese til fordel for stærke vinde, der deltog i stripning stjernen af sin ydre kuvert.

universet.

Det israelske forskerhold fra partikelfysik- og astrofysikafdelingen ved Weizmann Institute of Science. (1-r) Dr. Maayane Soumagnac (i øjeblikket på Bar-Ilan University), Prof. Eran Ofek, Dr. Ofer Yaron, Dr. Nora StrotJohann, Prof. Avishay Gal-Yam, Rachel Bruch, Ido Irani, og Erez Zimmerman

Da denne observation er den første af sin art, Gal-Yam hedder det, at det kan være for tidligt at utvetydigt afgøre skæbnen for alle sådanne stjerner. “Vi kan ikke sige på nuværende tidspunkt, om alle Wolf-Rayet stjerner ende deres liv med et brag eller ej. Det kan være, at nogle af dem falder stille og roligt sammen i et sort hul,” siger han. “Vi vurderer, at den masse, der spredtes under eksplosionen, sandsynligvis er lig med Solens eller en lidt mindre stjerne; stjernen, der eksploderede, var betydeligt tungere – at have en masse, der var mindst ti gange større end Solens. Så hvor endte størstedelen af massen?” Gal-Yam foreslår et midtvejsscenarie, hvor begge mulige skæbner er opfyldt på samme tid: Når atomfusionen er opbrugt i stjernens kerne, finder en eksplosion sted, der sprænger noget af massen ud i rummet, mens den resterende masse kollapser i sig selv og danner et sort hul. “En ting er sikkert,” siger Gal-Yam, “Dette er ikke den ‘tavse’ sammenbrud ofte nævnt i fortiden. Det er værd at nævne, at siden denne opdagelse først blev gjort, er der observeret en anden lignende eksplosion af en Wolf-Rayet-stjerne, hvilket antyder, at dette fænomen faktisk ikke er en enkelt begivenhed. Det er muligt, at jo bedre vores detektions- og måleinstrumenter bliver, jo mere bliver denne type eksplosion – i dag betragtes som sjælden og eksotisk – et almindeligt syn.”

Massive stjerner har en stratificeret struktur, som et løg. Tunge elementer, dannet i nukleare fusion reaktioner i stjernens kerne, findes i centrum, og stadig lettere elementer udgør gradvist ydre lag (venstre panel). Wolf-Rayet stjerner er særligt massive stjerner, der mangler en eller flere af de ydre lag af lyselementer: i stedet for brint – det letteste element – stjernens overflade vil indeholde helium, kulstof eller en endnu tungere elementer. En mulig forklaring på dette fænomen er, at stærke vinde blæser på grund af højt tryk tæt på stjernens overflade, sprede sin yderste lag, hvilket får stjernen til at miste det ene lag efter den anden over flere hundrede tusinde år. Infografik: Itai Raveh

Supernovaer kan virke som kolossale begivenheder, der sker langt, langt væk, at de ikke har nogen direkte indvirkning på vores liv. Men sandheden skal frem, de er kernen i selve livet. Disse kosmiske eksplosioner lancerer de elementer, der blev smedet i stjernens kerne til galaksens fjerneste egne, hvor de tjener som grundfjeldet til fødslen af nye stjerner. Planeten Jorden og alle dens forskellige og forskelligartede livsformer (herunder os Homo sapiens)er resultatet af en sådan begivenhed. “Vi studerer oprindelsen af alt stof, herunder det, der findes på Jorden, og søger efter forklaringer på mange af de fysiske fænomener, vi har tendens til at tage for givet,” konkluderer Gal-Yam. “Dette er, hvad jeg personligt er interesseret i – hvor kom alt dette fra – og jeg ønsker at være i stand til at besvare dette spørgsmål så godt og så præcist som jeg kan.”

Videnskabelige tal

The Israeli research team from the Particle Physics and Astrophysics Department at the Weizmann Institute of Science. (l-r) Dr. Maayane Soumagnac (currently at Bar-Ilan University), Prof. Eran Ofek, Dr. Ofer Yaron, Dr. Nora StrotJohann, Prof. Avishay Gal-Yam, Rachel Bruch, Ido Irani, and Erez ZimmermanHastigheden af de stærke og hurtigt voksende pre-supernova vinde opdaget af forskerne er 1.500 kilometer i sekundet.

Prof. Avishay Gal-Yam er den siddende af Arlyn Imberman professorielle formand.

Prof. Gal-Yam’s forskning er støttet af André Deloro Institute for Advanced Research i rum-og optik; Schwartz/Reisman Collaborative Science Program; og Norman E Alexander Family M Foundation ULTRASAT Data